Проектирование логических схем с помощью функций алгебры логики

Логической схемой называется совокупность логических электронных элементов, соединенных между собой таким образом, чтобы выполнялся заданный закон функционирования схемы, иначе говоря, — выполнялась заданная логическая функция.
По зависимости выходного сигнала от входного все электронные логические схемы можно условно разбить на:

Схемы первого рода, т.е. комбинационные схемы, выходной сигнал которых зависит только от состояния входных сигналов в каждый момент времени;

Схемы второго рода или накапливающие схемы (схемы последовательностные), содержащие накапливающие схемы (элементы с памятью), выходной сигнал которых зависит как от входных сигналов, так и от состояния схемы в предыдущие моменты времени.

По количеству входов и выходов схемы бывают: с одним входом и одним выходом, с несколькими входами и одним выходом, с одним входом и несколькими выходами, с несколькими входами и выходами.

По способу осуществления синхронизации схемы бывают с внешней синхронизацией (синхронные автоматы), с внутренней синхронизацией (асинхронные автоматы являются их частным случаем).

Практически любой компьютер состоит из комбинации схем первого и второго рода разной сложности. Таким образом, основой любого цифрового автомата, обрабатывающего цифровую информацию, являются электронные элементы двух типов: логические или комбинационные и запоминающие. Логические элементы выполняют простейшие логические операции над цифровой информацией, а запоминающие служат для ее хранения. Как известно, логическая операция состоит в преобразовании по определенным правилам входной цифровой информации в выходную.

Можно считать, что элементарные логические функции являются логическими операторами упомянутых электронных элементов, т.е. схем. Каждая такая схема обозначается определенным графическим символом. (Они были представлены выше — Элементы И, ИЛИ, НЕ, ИЛИ-НЕ, И-НЕ)

В качестве примера ниже представлена схема электрическая функциональная логического преобразователя (комбинационного автомата), реализующего логическую функцию в элементном базисе из логических элементов И, ИЛИ, НЕ.

Для закрепления предлагаю, самостоятельно синтезировать логическую схему, реализующую следующие логические функции:

Вот для примера первое выполненное задание:

Тема 1.7 Построение комбинационных схем с применением теоремы Де-Моргана(4)

Теорема Де-Моргана. Минимизация логических уравнений.

Построение минимизированных схем.

Равносильные преобразования логических формул имеют то же назначение, что и преобразования формул в обычной алгебре. Они служат для упрощения формул или приведения их к определённому виду путем использования основных законов алгебры логики.

Под упрощением формулы, не содержащей операций импликации и эквиваленции, понимают равносильное преобразование, приводящее к формуле, которая либо содержит по сравнению с исходной меньшее число операций конъюнкции и дизъюнкции и не содержит отрицаний неэлементарных формул, либо содержит меньшее число вхождений переменных

Некоторые преобразования логических формул похожи на преобразования формул в обычной алгебре (вынесение общего множителя за скобки, использование переместительного и сочетательного законов и т.п.), тогда как другие преобразования основаны на свойствах, которыми не обладают операции обычной алгебры (использование распределительного закона для конъюнкции, законов поглощения, склеивания, де Моргана и др.).

Покажем на примерах некоторые приемы и способы, применяемые при упрощении логических формул:

1)
(законы алгебры логики применяются в следующей последовательности: правило де Моргана, сочетательный закон, правило операций переменной с её инверсией и правило операций с константами);

2)
(применяется правило де Моргана, выносится за скобки общий множитель, используется правило операций переменной с её инверсией);

3)
(повторяется второй сомножитель, что разрешено законом идемпотенции; затем комбинируются два первых и два последних сомножителя и используется закон склеивания);

4)
(вводится вспомогательный логический сомножитель (); затем комбинируются два крайних и два средних логических слагаемых и используется закон поглощения);

5)
(сначаладобиваемся, чтобы знак отрицания стоял только перед отдельными переменными, а не перед их комбинациями, для этого дважды применяем правило де Моргана; затем используем закон двойного отрицания);

6)
(выносятся за скобки общие множители; применяется правило операций с константами);

7)
(к отрицаниям неэлементарных формул применяется правило де Моргана; используются законы двойного отрицания и склеивания);

8)
(общий множитель x выносится за скобки, комбинируются слагаемые в скобках — первое с третьим и второе с четвертым, к дизъюнкции применяется правило операции переменной с её инверсией);

9)
(используются распределительный закон для дизъюнкции, правило операции переменной с ее инверсией, правило операций с константами, переместительный закон и распределительный закон для конъюнкции);

10)
(используются правило де Моргана, закон двойного отрицания и закон поглощения).

1. Упрощение формул.

Пример 1. Упростить формулу (А+В)· (А+С)

Решение.

Раскроем скобки (A + B) * (A + C) A * A + A * C + B * A + B * C

По закону идемпотентности A*A A, следовательно, A*A + A*C + B*A + B*C A + A*C + B*A + B*C

В высказываниях А и А*C вынесем за скобки А и используя свойство А+1 1, получим А+А*С+ B*A + B*C A*(1 + С) + B*A + B*С A + B*A + B*С

Аналогично пункту 3. вынесем за скобки высказывание А.
A + B*A + B*С A (1 + B) + B С A + B*С
Таким образом, мы доказали закон дистрибутивности.

2. Преобразования “поглощение” и “склеивание”

Пример 2. Упростить выражение А+ A*B

Решение. A+A*B A (1 + B) A - поглощение

Пример 3. Упростить выражение A*B+A*

Решение. A*B + A* A (B + ) A - склеивание

3. Всякую формулу можно преобразовать так, что в ней не будет отрицаний сложных высказываний - все отрицания будут применяться только к простым высказываниям.

Пример 4. Преобразовать формулу так, чтобы не было отрицаний сложных высказываний.

Решение.

Воспользуемся формулой де Моргана, получим:

Для выражения применим еще раз формулу де Моргана, получим:

4. Любую формулу можно тождественно преобразовать так, что в ней не будут использованы:

знаки логического сложения;

знаки логического умножения,

будут использованы:

знаки отрицания и логического умножения

знаки отрицания и логического сложения.

Пример 5. Преобразовать формулу так, чтобы в ней не использовались знаки логического сложения.

Решение. Воспользуемся законом двойного отрицания, а затем формулой де Моргана.

Пример 6. Преобразовать формулу так, чтобы в ней не использовались знаки логического умножения.

Решение. Используя формулы де Моргана и закон двойного отрицания получим:

1. Формулы данных высказываний преобразовать в эквивалентные, исключив логическое сложение:

;

;

.

2. Формулы данных высказываний преобразовать в эквивалентные, исключить логическое умножение.

;

;

.

3. Упростить:

;

.

Тема 1.8 Построение комбинационных схем с применением карт Карно(6)

Карты Карно. Минимизация логических уравнений.

Построение минимизированных схем.

Решение задач.(см. учебник Мышляевой «Цифровая схемотехника»)

Практические работы (6)

Построение комбинационных схем с применением теоремы Де-Моргана

Построение комбинационных схем с применением карт Карно